膨胀土工程特性及处治技术_熊山铭

第3期(总第189期)2011年6月20日华东公路EASTCHINAHIGHWAYNo.3(Total No.189)

June 2011

文章编号:1001-7291(2011)03-0065-05 文献标识码:B

膨胀土工程特性及处治技术

熊山铭

(长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

摘要:随着高速公路的大量建设,由膨胀土所引起的道路建设问题日益突出,已严重影响到了工程技术人员对工程质量和进度的把握与控制。由于膨胀土的特殊工程特性,导致了处治技术的特殊性。介绍了膨胀土的工程特性,并针对其工程特性,在施工上提出了相应的处治技术。

关键词:道路工程;膨胀土;工程特性;路基;处治技术

随着我国经济的高速发展,高等级公路的大量建设,在特殊地区路基上修建道路越来越多,膨胀土地区修筑道路是其中之一。20世纪50年代初,成渝铁路建设期间,首次遇到膨胀土的危害问题,从而拉开了我国膨胀土研究的序幕;20世纪70年代中期,我国开展了大规模的膨胀土普查工作,开展了卓有成效的研究,取得了一定的科研成果和工程施工经验。20世纪80年代,我国制定了膨胀土地区建筑技术规范,使得膨胀土地区施工有所依据

[1-3]

膨胀时受到外部约束的限制,阻止其膨胀,此时则在土中产生一种内应力,即为膨胀力或称膨胀压力。土体失水则体积收缩,伴随土中出现开裂,可能造成其上的建(构)筑物开裂与下沉。可见,膨胀土的胀缩性与土中水分的得失直接相关,同时受季节气候影响十分明显。因此,膨胀与收缩两种变形是可逆的,即土体吸水膨胀,失水收缩;再吸水再膨胀,再失水再收缩,如此循环变化。土的起始湿度与膨胀和收缩的关系如图1和图2

所示。

。

由于膨胀土其组成含有多量的强亲水性粘土矿物,具有吸水量大、高塑性、快速崩解性,以及剧烈的膨胀性与收缩性等工程特性,在其上修筑存在一定问题和困难,也对工程实际造成了一定影响,给工程质量带来危害,近些年越来越得到科研人员和工程师的重视。本文通过介绍膨胀土工程特性,以及对常见的工程灾害的处治措施,对今后的工程实践有着一定的借鉴作用。

1 膨胀土的工程特性

膨胀土的物质组成和特点形成了其特殊的工程特性,而这些特性与实际工程有着紧密的关系,直接影响着工程建设质量的好坏。

111 膨胀土的胀缩性

膨胀土吸水后体积增大而产生膨胀,如果土体在

* 收稿日期:2011-04-26

1扰动土;2原状土

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图1 起始湿度与膨胀关系曲线示意图

)66)华东公路2011年第3期

一个重要特性,但并不是说所有膨胀土都一定是超固结的。

114 膨胀土的变形特性

非饱和土的膨胀变形分为:一是与饱和土类似,由剪应力引起;二是由吸力丧失引起。土体本身的性质,尤其是亲水性粘土矿物的含量是决定其胀缩特性的基础。而含水量的变化是导致土体发生胀缩变形现象的根本因素,对于一定荷载下的特定土体,若其含水量保持稳定,不论其膨胀性有多大,均无胀缩现象发生。从另一个方面讲,只有含水量发生变化,土体才会收缩或膨胀,而含水量变化的幅度又决定了土体潜在的胀缩变形量。115 膨胀土的风化特性

膨胀土因富含亲水性粘土矿物成分,具有非水稳定性和多裂隙结构,因此对水、温度特别敏感,受大气风化营力作用的影响尤为显著。膨胀土的风化作用主要包括物理风化和化学风化,从组成土的矿物成分分析,石英的抗风化能力最弱,主要是物理风化产生机械破碎,长石、云母以及硅酸盐的抗风化能力较弱,其化学分解比较缓慢,在风化作用的初期阶段,物理风化使矿石破裂,后期的化学风化主要表现为长石高岭石化和长石水云母化等,这些风化作用都是在长期自然地质作用过程中进行的。2 膨胀土边坡工程特性211 膨胀土边坡破坏的形式

(1)滑坡:滑坡具有弧形外貌,有明显的滑床,滑床后壁陡直,前缘比较平缓,主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现,具叠瓦状,成群发生,滑体呈纵长形,有的滑坡从坡角可一直牵引到边坡顶部,有很大的破坏性。

(2)溜塌:边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和,在重力与渗透压力的作用下,沿坡面向下产生流塑性溜塌现象。这是膨胀土边坡表层最普遍的一种病害,常发生在雨季,与边坡坡度无关。溜塌上方有弧形小坎,无明显裂缝与滑面,塌体移动距离较短,且很快自行稳定于坡面,其厚度受风化层控制多在110m以内,不超过115m。

(3)坍塌:边坡浅层膨胀土体在湿胀干缩效应与风化作用影响下,由于裂缝切割以及水的作用,土体强度衰减,丧失稳定,沿一定滑面整体滑移并有坍落现象。坍塌多发生在雨季,滑面清晰并有擦痕,滑体裂隙密布,多在坡角或软弱的夹层滑出,若继续发展,可牵引形成滑坡,厚度多为110m~310m,一

1击实土;2原状土

图2 起始湿度与胀缩关系曲线示意图

112 膨胀土的多裂隙性

膨胀土中普遍发育有各种特定形态的裂隙,形成土体的多裂隙性,这是膨胀土区别于其他土类的重要特性之一。膨胀土的裂隙,是在成土过程中由各种自然地质应力作用所形成的产物,这些应力主要包括沉积、压密、风化及膨胀效应等。

研究表明,膨胀土中的垂直裂隙,通常是由于构造应力与土的胀缩效应产生的张应力形成,水平裂隙大多由沉积间断与胀缩效应所形成的水平应力差而产生。裂隙粘土矿物颗粒具有高度定向性,故常见有镜面擦痕,显蜡状光泽。裂隙面大多有灰白色粘土薄膜或条带,富水软化,使土的裂隙结构具有比较复杂的物理化学和力学特性,严重影响和制约着膨胀土的工程特性。

113 膨胀土的超固结性

沉积过程中,膨胀土在重力的作用下逐渐堆积,土体将随着堆积物的加厚产生固结压密。由于自然环境的变化和地质作用的复杂性,土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程,而是常常因地质作用而发生卸载作用,于是土体由于先期固结所形成的部分结构强度,阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状态。引起膨胀土的超固结性原因有风化、冲刷、剥蚀地质作用,冰川消融,地下水位长期下降,物理化学作用,上覆压力卸除等,形成了土层的超固结。膨胀土的超固结性,是土体在地质历史过程中,曾经承受过比现在上覆压力更大的荷载作用,并已经达到完全或部分固结的特性。这是膨胀土的又

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般在风化作用层内。212 膨胀土滑坡的特点

熊山铭:膨胀土工程特性及处治技术)67)

(4)时间规律性。时间规律性是指膨胀土滑坡的产生,一般具有明显的季节性和间歇性规律。由于膨胀土吸水产生膨胀,强度迅速衰减,所以膨胀土滑坡大多在雨季或渠水(或库水)骤降时活动最频繁,发展最快,其次是春融季节时,也有一定发展。现场调查表明,特别是在长期干旱以后的第一个雨季,更是滑坡集中产生,成群出现的重要时刻。旱季,边坡则相对稳定,滑动停止但经过季节性干湿循环之后,来年雨季到来时,老的滑坡不仅可能复活而再次滑动,新滑坡也将不断产生。

3 膨胀土路基病害防治常规方法和措施

311 路基换填

路基换填是膨胀土路基处理方法中最简易而且有效的方法,即挖除膨胀土,换填非膨胀土或砂砾。换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。换土深度要考虑受地面降水影响而使土体含水量急剧变化的深度,基本上在1m~2m,即强膨胀土为2m,中、弱膨胀土为1m~115m,具体换土深度根据调查后的临界深度来确定。路基换填技术,直接改变了路堤土体的物质成分,降低有效蒙脱石含量,减弱或

(1)牵引性。实践表明,膨胀土滑坡绝大多数属于牵引式滑动。膨胀土由于含有亲水性粘土矿物,在大气降水和蒸发作用下,使土体含水量变化较大,从而产生湿胀干缩循环,土的原始组构逐渐破坏,裂隙逐渐发展,抗剪强度降低;当膨胀土边坡土体强度降低,产生第一次滑动后,土体强度将继续衰减而产生连续破坏,发育形成第二次、第三次、甚至多次滑动,直至达到新的稳定平衡为止。各次滑动面相互继承贯通,形成多次牵引阶地叠瓦状,如图3

所示。

图3 膨胀土滑坡牵引性示意图

消除膨胀性。该方法可以一劳永逸地治理病害,但是工程量较大,必须停车断道。

312 湿度控制

湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定,为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形,尽量减少路基含水量受大气的影响,需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封,避免膨胀土遇外界大气直接接触,尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法,用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。313 改性处理

改性就是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理,以达到降低膨胀土潜势,增加强度和提高水稳定性的目的。具体来说,石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物而显现出来;水泥的固化作用是由于钙酸盐与铝的水化物和颗粒间的胶结作用,胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用,从而降低膨胀土的液限,增大了膨胀土的塑限和抗剪强度;NCS固化材料除具有石灰、水泥的优点消除土的胀缩外,还有吸水增强作用,改善土的压实性并生成微型

(2)结构与构造性。首先,膨胀土具有多裂隙结构,各种不同成因与产状的裂隙,将膨胀土体切割成具有特定形态的若干块体,这些裂隙有的互相连接,在土体的内部构成软弱结构面。其次,膨胀土具有湿胀干缩的特性,在自然气候应力作用下反复胀缩循环,在地表浅层土体内一定深度形成胀缩变动带,在该带以上的膨胀土体,原始组构受到破坏,强度显著降低,与变动带以下基本保持着原始结构的土体之间,形成软弱结构面。第三,膨胀土抗风化能力极低的特性,使暴露于大气中的膨胀土在风化应力作用下自地表垂直向下,或从边坡面垂直向坡内,形成风化程度不同的风化带。

(3)多次滑动性。多次滑动性是指膨胀土滑坡一旦滑动便具有多次滑动的特性。膨胀土滑坡之所以具有多次滑动的原因,主要同膨胀土的胀缩特性和强度特性有着密切的内在联系。土的往复胀缩变形,一方面表明土体本身的不稳定性,另一方面标志着风化应力的反复作用,进一步促使土的抗剪强度降低。滑动反复循环,直至达到新的稳定平衡为止。所以,膨胀土边坡一般具有强度衰减而产生连续破坏,出现多次滑动的特性。

)68)华东公路2011年第3期

加筋结构,提高土的强度。4 膨胀土路基修筑处治技术411 基本原则

治理膨胀土病害的关键是认识公路沿线膨胀土的工程性质和病害发生的一般规律,在此基础上对症下药。在对已有施工经验调研总结的基础上,通过研究分析,认为膨胀土病害治理可以从以下几个方面采取措施:

41111 路基填料

(1)最好选用膨胀性较弱的土,且只用于路基下层,而不用于土基(路面下80cm~100cm)。(2)亦可采用外包路堤方案,内填膨胀土,外包膨胀土或经处治的膨胀土。外包主要根据当地自然条件而定,一般厚115m左右。

(3)不得已全用膨胀土填筑时,应将膨胀性较强的土填在最下面,膨胀性弱的土填在上面,同一种土填在同一层面上,且厚度要均匀,以免引起不均匀变形。

41112 路基断面

路基断面设计总的要求是减少或消除膨胀土湿胀干缩的有害影响,以减轻或避免路面)土基系统容易出现的季节性波浪变形。措施是防水保湿,保持土基中水分为均匀分布和相对稳定,减少水分的迁移变化,特别是路幅内水分的不均匀变化,为此应考虑以下几点:

(1)路基面横坡尽可能大一些,必要时设防渗层。(2)路肩尽可能宽一些,以利于保持路面下土基内水分的稳定,最好不小于210m~215m;路肩横坡要尽可能大一些,以利于排水。

(3)路肩用与路面结构层相同的材料铺砌,以利于保持路幅内土基水分的均匀性,并铺较薄的不透水面层或作防渗处理,以防水分下渗。

(4)边沟适当加宽加深,沟底应在土基顶面以下至少20cm~30cm,并尽可能离路面结构层远一些。

41113 路基排水

路基排水设施的完善程度,对于膨胀土地区公路路基路面的稳定具有特殊的重要意义。如能做到防水保湿,则可消除膨胀土湿胀干缩的有害影响。为此,路基排水应注意以下几点:

(1)精心设计排水设施,形成良好排水网系,以使危害路基路面稳定的路面水、地下水能顺畅排走,防止地面水冲蚀路基、积水浸泡路基和地下水浸

入路基。

(2)所有地面排水沟渠,特别是近路沟渠,均应铺砌和加固,以防冲、防渗。

(3)边沟应较一般地区适当加宽加深,路堑边沟深度不得小于80cm,外侧应设平台,以保护坡脚免遭水浸,并防止边坡剥落物堵塞边沟。41114 路基压实

压实是膨胀土路基施工的一大难题,是影响膨胀土地区路基路面稳定的一个突出问题,目前也是一个具有争议的问题,膨胀土路基施工中面临的问题主要体现在以下几点:

(1)膨胀土的天然含水量大多接近塑限含水量,要将土的含水量降到重型击实标准的最佳含水量是比较困难的,特别是在南方多雨地区,晾晒要花很多时间、很大工作量,既影响施工进度,又增加工程成本。

(2)即使花了很大代价,按重型击实标准压实到规定的密实度,也不一定能保持长久,因为在施工期间或通车以后,膨胀土均可能吸水膨胀而使密实度降低,且压实度愈高,吸水后膨胀变形量愈大。

(3)路基建成后,不管初始含水量如何,在当地自然条件和路基路面系统的影响下,经过自然平衡,其含水量将逐渐稳定在某一平衡含水量范围内。41115 路基加固

在膨胀土路堑内,或在路堤上使用膨胀土填筑土基时,均应考虑采用石灰、水泥等无机结合料对土基一定深度的膨胀土进行改良和加固,以保证土基稳固。所用剂量视膨胀土的性质与改良和加固的要求而定,使用石灰时一般以4%~6%为宜。所需厚度视膨胀土性质、公路等级与当地气候条件而定,一般为40cm~60cm。对于高等级公路还应使土基处治层与路面总厚度之和不小于110m~115m。41116 路 面

路面应采用不透水面层,以防雨水或融雪水下渗。一般公路宜采用尽可能柔软的面层(如双层表面处治)和厚度不小于30cm的未筛分碎石基层或砂层加碎石层的复式路基,以适应膨胀土路基的可能的胀缩变形和防止泥浆上挤。高等级公路宜采用厚层石灰土底基层,以防止膨胀土路基的胀缩变形。石灰土底基层的厚度,应与土基加固层和路面结构综合考虑。当有土基处治层时可取20cm~40cm。所用石灰剂量,视膨胀土性质、石灰质量与施工条件而定,一般以8%~10%为宜。

2011年第3期

412 处治技术

41211 用石灰桩加三合土封面

熊山铭:膨胀土工程特性及处治技术)69)

(3)施工相对简单,能像滚地毯一样铺设;可分段铺设,可缩短工期,收效快而显著,寿命可保持在15年左右。

41213 用土工格室整治基床承载力不足

土工格室是以聚烯烃为基材,加入特殊添加剂,经专用焊机焊接而成的立体格室组,它具有稳定的化学性能,优良的抗老化性,格室可折叠,展开后为蜂窝状的三维结构。土工格室加固路基具有加固基床,提高基床刚度,增强了路基承载力;对基床具有明显的分散荷载作用;对增强路基的稳定性有明显效果;能够降低表层和路面的永久变形,可以达到整治基床下沉病害的目的,对延长线路养护维修周期具有重要意义。5 结 语

本文对膨胀土的工程特性做出了介绍,并针对工程实际病害进行了分析,提出了相应的防治措施和处治技术。期望在今后的膨胀土地区设计与施工中得到应用,并加以推广。因此,在膨胀土地区进行设计前,应对膨胀土进行详细细致的调查及研究,充分了解其特有的工程特性,并提出相应合理的、经济的、有效的、安全的设计与施工方案,以达到对膨胀土病害的成功防治,保证工程质量。

这一方法主要从改良膨胀土的性质出发,在裂隙中掺入一定量的石灰,能够改良土壤的物理化学性质,使土壤岩石化,转变为不透水体,增加颗粒的粘结力,降低饱和度,提高土体的强度,增加承载力。

(1)生石灰桩设计。石灰桩的材料以生石灰为主,生石灰选用现烧的(新鲜)并需过筛,粒径一般为50mm左右,含粉量不得超过总重量的20%,CaO含量不得低于70%,其中夹石不大于5%。桩径一般为300mm~400mm,具体取决于设计要求和成孔机管径。一般离桩的3倍~4倍桩径外,原状土得不到加固,桩距一般为3倍桩径,桩距愈大则约束力愈小,平面布置可为梅花形或正方形。桩的长度取决于石灰桩的加固目的和上部结构的条件,若加固目的是为了减少沉降,则需要较长的桩;如果为了解决深层滑动问题,也需要较长的桩,保证桩长穿过滑动面。

(2)三合土设计。三合土采用石灰、砂、粘土掺料组成,其配合比根据试验确定。材料技术要求为:石灰,含氧化钙70%以上,消化后24h内必须使用,不得含有硬核;砂,粗砂、中砂、细砂均可使用。土宜采用粘性土,须将土粒仔细打碎,然后用5mm筛子过筛后加水拌合,采用/揉团跌散法0,控制用水量,即以料土能以手捏成团,自由落地时,跌碎为适量的标准。

41212 用塑料排水板整治基床翻浆

塑料排水板整治基床翻浆冒泥,具有整治效果明显,工程造价相对偏低,施工工艺简单的特点,已成为目前整治基床翻浆冒泥的一种主要整治方法。其作用机理是隔断水源,防止水对基床土的浸蚀与软化。在基床上铺设一层塑料封闭层,使地表水能沿着封闭层所设的横向排水槽排向路基两侧,使基床始终保持干燥,这就是塑料排水板整治基床翻浆的原理。

塑料排水板处理路基病害具有以下优越性:

(1)塑料排水板加工制造工艺简便。

(2)材料柔软、弹性良好、耐磨、耐酸、耐挠曲、抗老化,造价相对不高,比较经济。

参考文献

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